انواع UPS و کاربرد و عملکرد آنها

نوسانات، مشکلات و قطعی شبکه برق می تواند روی عملکرد برخی تجهیزات حساس تاثیر منفی بسیار زیادی داشته باشد و حتی باعث از دست رفتن برخی داده های احساس شود. انواع UPS «یو  پی اس» نقش بسیار مهمی در تامین برق مورد نیاز تجهیزات الکترونیکی این چنینی دارد و در واقع دستگاهی است که در مسیر تجهیزات الکترونیکی مورد نظر قرار گرفته و در مواقعی که شبکه برق دچار مشکل شود، توان الکتریکی مورد نظر تجهیز را تامین می کند.

در ایم مقاله از آکادمی کسب و کار برقی مهندس محمد کریمی بطور کامل به موضوع کاربرد و انواع UPS می پردازیم.

برخی تجهیزات الکترونیکی باید بدون قطعی برق و به صورت پیوسته در مدار باشند و یو پی اس با قرار گرفتن در مدار چینین تجهیزاتی، این نیاز را مرتفع می‌سازد. وقتی  در شبکه برق همواره مشکلات مختلفی اعم از نوسانات ولتاژ و فرکانس و … وجود دارد که در زمان بروز چنین مشکلاتی، یو پی اس وارد مدار شده و وظیفه تامین توان الکتریکی تجهیز مورد نظر را برعهده می‌گیرد. در ادامه مقاله به بررسی کامل انواع UPS، کاربرد UPS و نحوه عملکرد یو پی اس ها می پردازیم.

۱- مفهوم UPS

«منبع تغذیه بدون وقفه» به اختصار به‌عنوان «یو  پی اس» یا «UPS» مخفف سرواژه‌های Uninterruptible Power Supply ونصب می‌شود تا هنگام قطع یا تغییرات ولتاژ ورودی، امکان ادامه‌ کار تجهیز در حالت عادی وجود داشته باشد.

۲- کاربرد انواع UPS

از کاربردهای یو پی اس می‌توان به تامین توان الکتریکی بدون وقفه اشاره کرد که از مهم‌ترین کارایی یو پی اس تامین برق تجهیزات بدون هیچ‌گونه وقفه است.  همچنین از اختلالات و نوسانات برق که از آسیب دیدن سیستم الکترونیکی جلوگیری می کند. در زمانی که ولتاژو فرکانس شبکه برق دچار نوسانات شود، UPS وارد مدار شده و به تثبیت ولتاژ و فرکانس کمک می کند.

UPS  معمولا برای حافظت از تجهیزاتی مانند رایانه، دیتاسنتر، تجهیزات مخابراتی، دوربین مدار بسته و تجهیزات حساس و گران قیمت پزشکی مانند وسایل تصویربرداری پزشکی و دندان پزشکی به کار می‌رود.

برق شهر مشکلات مختلفی دارد که باتوجه به نوع یو پی اس می‌توان برخی از این مشکلات را حل کرد:

۳- عملکرد UPS

UPS ها انواع مختلفی دارند. هنگامی که برق قطع شده یا دچار نوسان شود، UPS به صورت خودکار و در زمانی حدود یک الی 2 میلی‌ثانیه وارد مدار شده و تعذیه سیستم را برعهده می‌گیرد. درنتیجه سیستم متوجه نوسانن یا قطعی برق نخواهد شد. همچنین UPS می‌تواند برق خروجی را از نظر نوسانات ( ولتاژ – فرکانس و وجود هارمونیک) اصلاح کند.

۴- انواع UPS یو پی اس

یو پی اس ها از نظر عملکرد داخلی به سه دسته، از نظر نوع تبدیل ولتاژ به سه دسته و از نظر شکل موج خروجی به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند.

۱-۴- انواع یو پی اس از نظر عملکرد داخلی:

یو پی اس  ها از نظر عملکرد داخلی به سه دسته کلی تقسیم می شوند.

۱-۱-۴- یو پی اس آنلاین:

  یو پی اس آنلاین، به دلیل تبدیل پیوسته و بدون وقفه ولتاژ متناوب به ولتاژ مستقیم برای شارژ باتری، در شرایط اضطراری بدون نیاز به کلیدزنی مکانیکی بار خروجی را تغذیه می‌کند.

۲-۱-۴- یو پی اس آفلاین:

در شرایط قطع برق عملکردی مشابه UPS لاین اینتراکتیو دارد. اما در شرایط عادی ارتباط ورودی و خروجی فقط از طریق ارتباط مستقیم الکتریکی برقرار است. اکثر UPS های زیر 1 کیلو ولت آمپر، معمولا از نوع لاین اینتراکتیو هستند یا آفلاین.

۳-۱-۴- یو پی اس لاین اینتراکتیو:

  در این یو پی اس، در شرایط عملکرد عادی ارتباط ورودی و خروجی از طریق اتوترانسفورمر با قابلیت تنظیم دامنه ولتاژ برقرار است. در هنگام قطع برق،  باتری از طریق اینورتر تجهیزات را تغذیه می‌کند.

۴-۴-UPS آفلاین یا Standby  یا off line

هنگامی که سیستم برق به صورت عادی برقرار است، تجهیز از منبع تغذیه اصلی تامین می‌شود ولی به محض اینکه منبع ورودی قطع شده یا دچار نوسانات ولتاژ و فرکانس شود، اینورتر وارد مدار می‌شود.

معمولا این نوع یو پی اس‌ها برای تامین توان الکتریکی تجهیزات کامپیوتری یا تجهیزات با توان پائین به کار برده می‌شوتد. از مزایای چنین یو پی اس‌هایی راندمان بالا و قیمت پائین است. از معایب آن نیز می‌توان به وابستگی به ولتاژ و فرکانس ورودی اشاره کرد. همچنین کیفیت توان خروجی این سو پی اس‌ها مناسب نیست مگر اینکه از استابلایزر و ترانس‌های فرو رزونانس استفاده شود.

۱-۴-۴- بلوک دیاگرام UPS آفلاین

در شکل ذیل بلوک دیاگرام و بخش های مختلف یو پی اس آفلاین نمایش داده شده است.

بلوک دیاگرام یو پی اس Standby

۴-۲- UPS آنلاین  یا Double Conversion

از نظر طراحی شباهت زیادی به یو پی اس آفلاین دارد با این تفاوت که در شرایط عادی نیز اینورتر توان خروجی را تامین می‌کند. این طراحی زمان انتقال یا transfer time ندارد.  این یوپی اس ها در توان های بالاتر از از 1KVA استفاده می‌شوند. از مزایای این دستگاه ها می توان به اصلاح ضریب توان ورودی و مستقل بودن توان خروجی از ولتاپ و تغییرات فرکانس ورودی در طراحی VFI اشاره کرد.

از معایت این سو پی اس ها نیز می توان به بازده کم، هزینه بالا، تلفات بالای انرژی اشاره کرد. همچنین به دلیل کارکرد مداوم اینورتر، فرسایش قطعات و المان‌های پاور بالا است.

۱-۲-۴- بلوک دیاگرام یو پی اس آنلاین

در شکل ذیل بولک دیاگرام یو پی اس آنلاین نمایش داده شده است. با مقایسه بلوک دیاگرام یو پی اس های آفلاین و آنلاین می توانید متوجه تفاوت  های آنها شوید.

بلوک دیاگرام یو پی اس Double Conversion

۳-۴-تعریف UPS لاین اینتراکتیو یا Line Interactive

در این طراحی اینورتر آماده به کار است و در حالت عادی وظیفه شارژ باتری ها را برعهده دارد.  ای یو پی اس ها در سایت‌ها،  شبکه و سرور و تجهیزات IT کاربرد دارند. از مزایای آنها می توان به کاهش ناپایداری و نویز خروجی، قیمت پایین و توانایی اصلاح ولتاژ نامناسب ورودی اشاره کرد.

۱-۳-۴- بلوک دیاگرام یو پی اس لاین اینتاکتیو

در شکل ذیل بلوک دیاگرام این یو پی اس قابل مشاهده است که تفاوت آن را با سایر مدل های یو پی اس نشان می دهد.

بلوک دیاگرام یو پی اس لاین اینتراکتیو

۴-۴- انواع UPS از نظر تبدیل ولتاژ: یو پی اس ها از نظر نوع تبدیل ولتاژ به سه دسته کلی تقسیم می شوند:

۴-۴-۱- مستقل از فرکانس یا VFI : در این سیستم نیازی به تطابق فرکانس ورودی و خروجی نیست و به همین دلیل فرکانس مستقل یا VFI نامیده می‌شود. این یو پی اس ها برای کاربردهای حساس و ویژه به کار برده می‌شوند.

۴-۴-۲-مستقل از ولتاژ یا VI: فرکانس ورودی از فرکانس خروجی مستقل نیست که البته در شبکه برق امروزی مشکلی ایجاد نمی کند. UPSهای VI ارزان تربوده و بازده توان خوبی دارند.

۴-۴-۳- وابسته به فرکانس و ولتاژ یا VFD:  شباهت زیادی به  VI دارند. اما در این مدل، اینورتر در شرایط نرمال خاموش است. به دلیل تاخیر زمانی در برقراری مجدد جریان، برای بیشتر کاربردها نامناسب نیستند ولی توان مصرفی پایین و بیشترین بازده توان را نسبت به دو مدل دیگر دارد.

۵- اجزای داخلی UPS

۱-۵- اجزای داخلی یو پی اس به شرح ذیل است:

۱-۱-۵- اینورتر: مبدل جریان مستقیم به جریان متناوب

۲-۱-۵- یکسوساز: مبدلجریان متناوب به جریان مستقیم

۳-۱-۵- شارژر : وسیله ای برای تبدیل جریان متناوب به مستقیم جهت شارژ باتری

۴-۱-۵- باتری : منبع تغذیه الکتریکی مورد نیاز برای کارکردن یو پی اس

۶- عملکرد UPS

۱-۶- عملکرد UPS آنلاین :

در مدارهایی که UPS آنلاین وجود دارد، با قطع تغذیه اصلی ورودی، یکسوکننده از مدار خارج شده و اینورتر با استفاده از باتری، بار را بدون وقفه تغذیه می‌کند. با وصل مجدد توان ورودی، یکسوکننده مجددا وارد مدار شده ومی‌ـواند باتری را شارژ کند.

در این ساختار به دلیل همزمانی شارژ باتری و تامین تغذیه اینورتر، معمولاً توان یکسوساز بیشتر از اینورتر و مصرف کننده است که باعث کاهش راندمان کلی دستگاه و افزایش تلفات و گرم شدن UPD می‌شود. به‌علاوه، توان جذب شده توسط یکسوساز اغلب غیرخطی و به صورت هارمونیکی است که  و منجر به اشغال ظرفیت خطوط انتقال و تداخل الکترومغناطیسی تاسیسات برقی می‌شود. این مشکل در تمامی UPS آنلاین وجود دارد که به به کمک فیلترهای اکتیو و تجهیزات تصحیح ضریب توان می‌توان این مساله را برطرف کرد.

۲-۶- عملکرد UPS آفلاین :

یو پی‌ اس آفلاین بارهای خروجی را در شرایط عادی به طور مستقیم از طریق برق ورودی تغذیه کرده و اینورتر از مدار خارج است. هنگام افت  ولتاژ ورودی از میزان استاندارد یعنی کمتر از ۱۴۵  ولت و بیشتر از ۲۸۰  ولت، UPS اینورتر خروجی را فعال می کند و بارهای خروجی از طریق باتری موجود در لینک dc تغذیه می‌شوند. با کلیدزنی مکانیکی بارهای خروجی به خروجی اینورتر متصل می شوند. زمان انتقال معمولا ۲۵  میلی ثانیه بسته به زمان لازم برای تشخیص قطع برق و سرعت پردازنده UPS متفاوت خواهد بود. این UPS ها دارای راندمان بالا، ابعاد کوچک، قیمت مناسب و حجم و وزن کمی هستند. اما به دلیل عدم حفاظت الکتریکی بارهای خروجی، عدم هماهنگی با دیزل ژنراتور و موتور برق و ولتاژ خروجی غیر سینوسی یعنی مربعی شکل، برای تغذیه موتور و تجهیزات پزشکی مناسب نیستند.

۳-۶- عملکرد UPS لاین اینتراکتیو:

عملکرد این نوع UPS در شرایط قطع برق مشابه نوع آفلاین است.  اما در شرایط کار عادی، ورودی و خروجی توسط یک اتوترانسفورمر با تپ متغیر که قابلیت تنظیم دامنه ولتاژ خروجی را فراهم می‌کند، متصل هستند. درنتیجه، امکان تنظیم ولتاژ خروجی در شرایط افت یا افزایش ولتاژ بدون استفاده از باتری و اینورتر وجود دارد.

این UPS ها اندازه کوچکتری نسبت به یو پی اس آنلاین و ابعاد بزرگتری نسبت به نوع آفلاین دارند. همچنین قیمت آنها کمتراز نوع آنلاین و بیشتر از نوع آفلاین است.

۷- راهنمای خرید UPS

در هنگام خرید یو پی اس باید فاکتورهای ذیل را مورد توجه قرار دهید:

• ولتاژ و فرکانس ورودی
• شکل موج خروجی
• فرکانس خروجی
• رگولاسیون ولتاژ خروجی یا میزان تثبیت ولتاژ خروجی
• THD یا Total Harmonic Distortion که معیاری برای نشابه بین شکل موج سیگنال با شکل موج اصلی است.
• نسبت توان خروجی به توان ورودی یا ضریب بهره‌وری (Efficiency)
• مدت زمان پشتیبانی یا Backup Time
• ضریب اوج یا Crest Factor: نسبت مقدار پیک به مقدار موثر شکل موج یا RMS
• زمان انتقال یا Transfer Time
• توان نامی یا Rated power
• سایز و وزن

علاوه بر موارد ذکر شده باید دقت کرد که انواع UPS برای چه کاربردی می تواند مورد استفاده قرار گیرد.